新密来集铝土矿床伴生镓富集规律及沉积环境研究

朱建刚 陈荔荔 薛 涛 刘明明

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 450000)

0 引言

镓作为战略金属，在国防科学、高性能计算机集成电路、光电二极管、光电探测器、无线通讯器材、光学仪器等方面有着广泛的应用，被称为“电子工业的粮食”[1,2]。另外，镓(Ga)属于典型的分散元素，自然界很难形成独立矿床，通常与铝土矿伴生，主要以类质同象的形式存在于矿物晶格中[3]。来集铝土矿中伴生镓品位高，平均含量65×10-6，普遍达到铝土矿伴生镓的工业回收利用指标要求(20×10-6)的2倍以上，综合利用前景广阔。在总结来集铝土矿床伴生镓富集规律基础上，探讨其成因环境，加强该地区分散元素的成矿理论研究，从而更加有效地服务于该地区铝土矿的综合利用。

1 样品的采集与测试

根据矿体特征，选取了区内有代表性的15个钻孔进行系统采样，采样方法为1/2劈心法，并对这15件采集钻孔样品进行常量元素及镓的定量测试。为了解其它微量元素含量特征，依据矿石类型，采集10件样品做了光谱全分析。所有样品统一编号后由我单位实验室完成测试。

样品的常量元素测试方法依据《铝土矿石化学分析方法》(YS/T 575-2007)进行：Al2O3含量利用滴定管采用容量法测定；SiO2含量和烧失量利用AE-160型电子分析天平采用重量法测定；Fe2O3和TiO2含量利用Vis-7220N/722N分光光度计采用比色法测定；S含量利用CS-3000型红外碳硫仪采用红外分子光谱法测定。

微量元素测试方法依据《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130-2006)进行：镓含量利用高分辨率电离耦合等离子体质谱仪(HR ICP-MS)测定；其它微量元素利用Optam2100 DV型等离子发射光谱仪采用原子发射光谱法测定。实验中使用去离子水，HNO3和HCl在优级纯的基础上进一步纯化后使用，其它试剂均为优级纯，使用的标准溶液中各待测元素的浓度为10μg/L。

2 测试结果与讨论

2.1 镓的富集特征

来集铝土矿均为一水硬铝石型铝土矿，以灰色稀鲕(豆)粒状为主，少量灰色微致密块状，总体镓含量21×10-6～90×10-6，平均65×10-6，见表1。从测试结果看，不同矿石类型的铝土矿镓含量也不同：微致密块状铝土矿4件，镓含量21×10-6～33×10-6，平均26×10-6；稀鲕(豆)粒状10件，镓含量70×10-6～90×10-6，平均82×10-6；致密状铝土岩1件，镓含量50×10-6。测试结果表明，较高品位的稀鲕(豆)粒状铝土矿镓含量普遍大于较低品位的微致密块状铝土矿镓含量。这一规律与吴波[4]、刘平[5]研究结果一致，为来集矿区工业品位铝土矿伴生镓的综合利用提供了理论依据。

表1 来集铝土矿元素分析结果(常量元素×10-2，Ga×10-6)

2.2 镓含量与常量元素相关性

元素的相关性受元素的地球化学性质影响，化学性质相近的元素具有较好的相关性。本次利用统计学方法分析了镓含量与常量元素的相关性。相关性系数r见公式(1)：

(1)

相关性系数r判定标准为：r正值为正相关关系；r负值为负相关关系；|r|<0.3，无相关关系；0.3≤|r|<0.5，弱相关关系；0.5≤|r|<0.8，中等相关关系|r|≥0.8，强相关关系。

从计算结果看，镓与Al2O3、TiO2、A/S呈中等正相关关系；与SiO2呈弱负相关关系；与Fe2O3、S无相关关系，见表2。镓是典型的分散元素，具有亲O和亲S性，地球化学性质与铝和Fe3+相似，存在类质同象置换的可能性[6]。从相关性分析结果看，镓在风化和沉积作用过程中更容易追随铝，而非Fe3+，镓与铝发生类质同象置换。需要指出的是分析测试的致密状铝土岩样品，其镓含量达50×10-6，高于部分低品位铝土矿样品。这一现象提示类质同象置换并非镓赋存的唯一形式。分析结果同汤艳杰[3]研究认为豫西铝土矿中部分伴生镓以吸附的形式存在于粘土矿物微粒和铝、铁的氢氧化物表面的研究结果一致。

表2 镓含量与常量元素相关性计算结果

3 沉积环境探讨

受温度、生物活动、风化、沉积作用及成岩变化的影响，元素产生分异。同时，元素的赋存分布特征也记录着沉积环境特征，一些元素的比值可以作为地球化学相标志。本次测试了10个典型样品的微量元素含量，见表3，通过一些指相元素探讨来集铝土矿床沉积环境。

表3 来集矿区铝土矿微量元素分析结果(×10-6)

Sr/Ba比值通常用来确定古盐度，研究表明Sr/Ba比值与水体盐度呈正相关关系：Sr/Ba>1为海相，<1则为淡水沉积物[7-9]。样品分析表明，来集矿区铝土矿Sr/Ba为1.2～21.7，均>1，表明成矿环境为咸水环境。图1中，来集矿区铝土矿Sr/Ba曲线呈现了两个峰值，反映了成矿水动力条件的复杂性及古地貌的多样性。结合钻孔岩心数据、剖面地层特征、沉积构造、生物面貌特征，推断来集铝土矿矿床形成于滨海—泻湖相。

图1 来集矿区铝土矿Sr/Ba曲线

V、Cr、Ni、Co在不同的氧化还原条件下表现不同的地球化学性质，常用V/Cr、Ni/Co和V/(V+Ni)等微量元素比值来判别古水体的氧化还原条件。学者[4,10]对这些地球化学指相参数进行了研究，不同的氧化还原条件参数的取值不同，见表4。

表4 氧化还原条件的成分参数

来集矿区含铝岩系中V/Cr=0.92～1.57，平均1.32；Ni/Co=1.38～5.74，平均3.92；V/(V+Ni)=0.40～0.66，平均0.56，表明多数铝土矿成矿于富氧的氧化环境，同时也存在贫氧的弱氧化环境。

4 结语

来集铝土矿镓含量平均65×10-6，普遍较高。较高品位的稀鲕(豆)粒状铝土矿镓含量普遍大于较低品位的微致密块状铝土矿镓含量。

镓与Al2O3、TiO2、A/S呈中等正相关关系；与SiO2呈弱负相关关系；与Fe2O3、S无相关关系。镓在风化和沉积作用过程中更容易追随铝，而非Fe3+，镓与铝发生类质同象置换。类质同象置换并非镓赋存的唯一形式，可能存在吸附形式的镓。

来集矿区铝土矿Sr/Ba=1.2～21.7，表明成矿环境为咸水环境；V/Cr=0.92～1.57、Ni/Co=1.38～5.74、V/(V+Ni)=0.40～0.66，表明多数铝土矿成矿于富氧的氧化环境，同时也存在贫氧的弱氧化环境。

综合研究认为，来集铝土矿矿床形成于咸水为主的富氧氧化环境，同时也存在贫氧的弱氧化环境，表明其成矿水动力条件的复杂性及古地貌的多样性。结合钻孔岩心数据、剖面地层特征、沉积构造、生物面貌特征，认为来集铝土矿矿床形成于滨海—泻湖相。